Zyklischer Ermüdungstest — ASTM E606 / ISO 12106

Was ist Zyklische Ermüdung?

Beim zyklischen Ermüdungstest handelt es sich um einen Test, bei dem eine dehnungsgesteuerte und nicht eine spannungsgesteuerte, wiederholte Belastung angewendet wird und das Materialverhalten im Allgemeinen im Bereich der Ermüdung bei niedrigen Zyklen untersucht wird. Hystereseschleifen werden aufgezeichnet.

Zweck von Zyklische Ermüdung

Der Zweck besteht darin, die Lebensdauer und das Verfestigungs-/Erweichungsverhalten bei wiederholter Belastung mit hoher Amplitude zu bestimmen, bei der die plastische Verformung vorherrscht.

Bei welchen Produkten wird Zyklische Ermüdung angewendet?

Turbinenkomponenten, die bei hohen Temperaturen betrieben werden
Druckbehälter- und Rohrverbindungen
Teile für Automobilmotoren
Geschweißte Strukturdetails

In welchen Branchen wird Zyklische Ermüdung eingesetzt?

MetallStahlMaschinenIndustrieausrüstungKunststoffe

Normen zu Zyklische Ermüdung

ASTM E606
ISO 12106
ISO 12111

Prüfbedingungen für Zyklische Ermüdung

Steuermodus: Gesamtdehnungsamplitudengesteuert
Wellenform: Im Allgemeinen dreieckig oder sinusförmig, mit konstanter Dehnungsrate
Dehnungsverhältnis: Rε = εmin/εmax; typischerweise −1 (vollständig umgekehrt)
Temperatur: Raumtemperatur oder eine hohe Temperatur gemäß Spezifikation

Prüfgerät für Zyklische Ermüdung

Servohydraulische Prüfmaschine
Hochpräzises Extensometer
Induktions- oder widerstandsbeheizter Ofen
Datenerfassungs- und Hysterese-Aufzeichnungssystem

Probenanforderungen für Zyklische Ermüdung

Der Probekörper muss eine für axiale Belastung geeignete Geometrie haben, die ein Knicken verhindert
Die Oberfläche muss poliert und frei von Eigenspannungen sein
Es werden mindestens drei Proben pro Belastungsstufe empfohlen
Der Befestigungsbereich des Extensometers muss vorbereitet werden

Dauer von Zyklische Ermüdung

Da die Anzahl der Zyklen gering ist, dauert die Herstellung einer einzelnen Probe typischerweise Stunden; die Summe kann sich bei verschiedenen Belastungsgraden auf mehrere Wochen belaufen.

Ablauf von Zyklische Ermüdung

1Der Prüfling wird vermessen und axial in der Maschine montiert.
2Der Dehnungsmesser ist montiert und die Dehnungskontrolle wird überprüft.
3Bei Bedarf wird die Prüftemperatur erreicht und stabilisiert.
4Die wiederholte Belastung wird bei der definierten Dehnungsamplitude gestartet.
5Hystereseschleifen werden aufgezeichnet; die Halbwertszeitschleife wird bestimmt.
6Die Belastung setzt den Bruch fort und die Anzahl der Zyklen wird aufgezeichnet.

Annahmekriterien für Zyklische Ermüdung

Als Akzeptanzkriterium wird in der Spezifikation eine Mindestanzahl an Zyklen bei einer vorgegebenen Dehnungsamplitude angegeben.

Auswertung der Ergebnisse

Spannungsamplitude und plastische Dehnungsamplitude werden aus der Halbwertszeit-Hystereseschleife extrahiert. Das Verfestigungs- bzw. Erweichungsverhalten wird gesondert bewertet.

Prüfbericht zu Zyklische Ermüdung

Standard angewendet
Dehnungsamplitude, -verhältnis und -rate
Testtemperatur
Anzahl der Zyklen bis zum Bruch
Hystereseschleifen und Halbwertszeitdaten

Akkreditierung

EUROLAB verfügt über eine international anerkannte Akkreditierung, die von Akkreditierungsstellen erhalten wurde, die Vertragspartei der multilateralen Anerkennungsvereinbarungen IAF und ILAC sind, gemäß ISO/IEC 17025 für Labortests, ISO/IEC 17020 für Inspektion und Überwachung sowie ISO/IEC 17021-1 und ISO/IEC 17065 für System- und Produktzertifizierung. Diese Kette stellt sicher, dass die ausgestellten Berichte und Zertifikate weltweit akzeptiert werden.

Ob dieser Test im akkreditierten Rahmen angeboten werden kann, hängt von Ihrem Produkt und der angewandten Norm ab; Da die Akkreditierung methodenbasiert erfolgt, wird der Umfang bereits im Angebotsstadium schriftlich bestätigt.

Geltungsbereich und Berechtigungen

Mekanik Testler — Was umfasst dieser Prüfbereich?

Der folgende Abschnitt beschreibt das Gebiet, zu dem der Test Zyklische Ermüdung gehört; die Bedingungen und Abnahmekriterien dieses konkreten Tests stehen in den obigen Abschnitten. Der für Ihr Produkt spezifische Umfang wird schriftlich im Angebotsstadium festgelegt.

Mechanische Prüfungen messen, wie sich ein Werkstoff oder ein Bauteil unter Krafteinwirkung verhält. Die Familie reicht von statischer Belastung (Zug, Druck, Biegung) über zeitabhängiges Verhalten (Ermüdung, Kriechen) bis zu Härte und Verschleiß sowie Bruchzähigkeit.

Das gemeinsame Merkmal dieser Prüfungen ist, dass das Ergebnis als WERKSTOFFEIGENSCHAFT ausgewiesen wird. Streckgrenze oder Härte sind keine Konformitätsentscheidung; sie sind Zahlenwerte, mit denen Konstruktion und Produktnorm verglichen werden. Mechanische Prüfberichte sind daher meist Eingangsgröße für eine technische Entscheidung und nicht für eine Produktzulassung — Werkstoffauswahl, Sicherheitsfaktor, Lebensdauervorhersage.

Die Unterscheidung zwischen statischem und dynamischem Verhalten ist der Schlüssel zum Verständnis des Bereichs. Ein Bauteil kann unter statischer Last völlig unbelastet erscheinen und dennoch unter wiederholter Belastung brechen; der Ermüdungsbruch tritt bei Spannungen weit unter der Streckgrenze auf und gibt keine Vorwarnung. Bei rotierenden, schwingenden oder zyklisch belasteten Bauteilen ist eine Zugprüfung allein daher kein ausreichender Nachweis.

Die Prüfbedingungen bestimmen das Ergebnis, und dies ist entscheidend für die Lesbarkeit des Berichts: Probengeometrie, Belastungsgeschwindigkeit, Temperatur, Konditionierung und Einspannanordnung. Derselbe Werkstoff liefert unter unterschiedlichen Bedingungen unterschiedliche Werte. Bei Kunststoffen ist der Geschwindigkeitseffekt sehr ausgeprägt, bei Metallen der Temperatureffekt; bei Verbundwerkstoffen verändert die Probenausrichtung das Ergebnis vollständig.

Härte ist die am häufigsten missbrauchte Messgröße in diesem Bereich. Da sie schnell, nahezu zerstörungsfrei und kostengünstig ist, wird sie oft anstelle der Festigkeit verwendet. Umrechnungstabellen von Härte zu Festigkeit existieren, sind aber NÄHERUNGSWEISE und hängen von der Werkstoffgruppe ab; sie als einziges Beweismittel bei der Werkstoffabnahme zu verwenden, ist falsch.

Der Bereich der Bruchmechanik erfordert eine besondere Kompetenz. Messungen der Bruchzähigkeit und der Ermüdungsrisswachstumsrate ermöglichen es zu berechnen, wie lange eine rissbehaftete Struktur hält; sie sind die Grundlage schadenstoleranter Auslegung in Bereichen wie Druckgeräten, Flugzeugstrukturen und Rohrleitungen.

Methodengruppen in diesem Bereich

Statische Prüfungen
Zug, Druck, Biegung, Scherung und Torsion. Streckgrenze und Zugfestigkeit, Dehnung und Elastizitätsmodul werden ermittelt.
Kerbschlagprüfungen
Charpy- und Izod-Kerbschlagbiegeversuch; das Sprödbruch-Zäh-Übergangsverhalten des Werkstoffs wird temperaturabhängig ermittelt.
Härte
Brinell, Vickers, Rockwell, Shore und Mikrohärte. Wertvoll für die Tiefe der Oberflächenbehandlung und lokale Festigkeitsunterschiede.
Ermüdung
Kraft- und dehnungsgesteuerte axiale Ermüdung, Biegeermüdung; Wöhlerkurven (S-N) und Dauerfestigkeitsgrenze.
Kriechen und Spannungsrelaxation
Verhalten unter Langzeitbelastung bei hoher Temperatur; entscheidend für Werkstoffe von Kesseln, Turbinen und Druckgeräten.
Bruchmechanik
Ebene-Dehnung-Bruchzähigkeit, J-Integral, CTOD und Ermüdungsrisswachstumsrate.
Verschleiß und Reibung
Taber- und Drehtrommel-Abrasion, Reibungskoeffizientenmessungen.

Häufig verwechselt in diesem Bereich

Die Berechnung der Festigkeit aus der Härte ist näherungsweise; sie kann nicht als alleiniger Nachweis bei der Werkstoffabnahme verwendet werden.
Ausreichende statische Festigkeit belegt nicht die Ermüdungsfestigkeit; ein zyklisch belastetes Bauteil erfordert eine gesonderte Prüfung.
Wird die Prüfgeschwindigkeit und -temperatur nicht angegeben, ist das Ergebnis nicht vergleichbar — insbesondere bei Polymeren und Verbundwerkstoffen.
Ein Prüfkörper und das tatsächliche Bauteil liefern möglicherweise nicht denselben Wert; Formfließrichtung, Bindenähte und Unterschiede in der Oberflächenbehandlung wirken sich alle aus.
Ein für einen Verbundwerkstoff angegebener Festigkeitswert ist ohne Angabe der Probenorientierung bedeutungslos.
Die ASTM- und ISO-Gegenstücke messen dieselbe Größe, verwenden aber unterschiedliche Probengeometrien; die Ergebnisse gelten nicht als direkt gleichwertig.

Welche Entscheidungen diese Ergebnisse unterstützen

Konstruktionsverifikation und Werkstoffauswahl
Wareneingangskontrolle und Lieferantenfreigabe
Erfüllung der mechanischen Anforderungen der Produktnorm
Fehleranalyse, Lebensdauervorhersage und Schadenstoleranzberechnung
Verifizierung von Wärmebehandlungs- und Oberflächenbehandlungsprozessen

Häufige Fragen zu Zyklische Ermüdung

Was ist der Unterschied zwischen dem Ermüdungstest und dem zyklischen Ermüdungstest?

Der klassische Ermüdungstest ist im Allgemeinen belastungskontrolliert und hochzyklisch. Die zyklische Ermüdung ist dehnungskontrolliert und weist niedrige Zyklen auf, was Bedingungen darstellt, bei denen die plastische Verformung vorherrscht.

Zyklische Ermüdung